34CrMo4大直徑無縫氣瓶的熱處理研究

張榮曉，鄭立允，程 凱，張永強，趙樹國，武常生，李方威，陳 杰

(1.河北工程大學(xué) 機械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北鋼鐵邯鋼集團連鑄連軋廠 軋鋼車間，河北 邯鄲 056015；3.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001；4.新興能源裝備股份有限公司，河北 邯鄲 056107)

34CrMo4大直徑無縫氣瓶的熱處理研究

張榮曉1，鄭立允1，程 凱1，張永強2，趙樹國3，武常生4，李方威4，陳 杰4

(1.河北工程大學(xué) 機械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北鋼鐵邯鋼集團連鑄連軋廠 軋鋼車間，河北 邯鄲 056015；3.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001；4.新興能源裝備股份有限公司，河北 邯鄲 056107)

通過對34CrMo4材料進行完全淬火和高溫回火，采用金相觀察、掃描電鏡以及能譜儀分析等方法，研究淬火溫度和回火溫度對34CrMo4材料的組織和性能的影響。研究結(jié)果表明，試樣經(jīng)過930℃淬火，保溫60min，560℃回火，保溫120min最佳工藝熱處理后綜合性能達到最佳，從而有利于34CrMo4大直徑無縫鋼質(zhì)氣瓶的應(yīng)用以及安全性的提高。

34CrMo4；無縫氣瓶；熱處理；性能

壓縮天然氣憑借環(huán)境污染少、安全性高、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，已成為世界各國改善環(huán)境和促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇[1]。壓縮天然氣的儲存要求高壓容器為無縫容器，并對材質(zhì)的要求十分嚴格[2]。34CrMo4合金鋼是典型的中碳低合金鉻鉬鋼，為用于制作壓縮天然氣儲氣瓶用的高壓氣瓶鋼[3]。目前，34CrMo4合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于歐盟市場，國內(nèi)對大容積高壓氣瓶的研究較少。本文主要通過對34CrMo4大直徑鋼質(zhì)無縫氣瓶進行不同的熱處理工藝研究后，綜合分析其組織和力學(xué)性能，從而確定最佳熱處理工藝。

1 實驗材料和方法

本實驗中的材料采用34CrMo4中碳低合金鋼，其具體的化學(xué)成分及含量如表1所示。

1.1 實驗材料

金相試樣大小為10mm×10mm×10mm，經(jīng)粗磨、細磨和拋光后，采用4%硝酸酒精進行腐蝕，測定試樣晶粒度時采用苦味酸進行腐蝕，使用OLYMPUS-DSX500光學(xué)顯微鏡進行金相組織觀察和晶粒度測定；硬度測試采用SKT-25顯微維氏硬度計進行測定；沖擊試樣按照GB/T229-1994標準加工，尺寸是55mm×10mm×10mm，并在JB-300B沖擊試驗機上測試韌性；拉伸試樣按照GB/T228-2002加工成標準試樣，并在萬能試驗機上進行拉伸。其中，每一熱處理工藝的力學(xué)性能均為五個試樣測量值的平均值。

1.2實驗方法

采用DSC200差熱掃描量熱儀分析測定34CrMo4材料的臨界值，參數(shù)分別設(shè)定為氣體升溫速率10℃/min，保護氣體是氬氣，氣體流入量50ml/min，終止溫度1 020℃。經(jīng)測定，34CrMo4材料的臨界溫度分別是：Ac1=756.4℃，Ac3=880.4℃。

根據(jù)材料的臨界溫度值，確定其完全淬火溫度分別為910℃、920℃、930℃、940℃、950℃，保溫時間60min。在最佳淬火溫度下進行回火，溫度分別是540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃，保溫時間120min。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對材料組織的影響

對材料分別進行910℃、930℃、950℃淬火處理后，使用飽和苦味酸溶液進行腐蝕，然后對材料的晶粒大小進行分析，其顯微組織和晶粒尺寸的變化如圖1所示。

根據(jù)金屬平均晶粒度測定法可知，在晶粒度測量時，若材料中晶粒不均勻的現(xiàn)象比較明顯，那么應(yīng)當分別計算不同級別的晶粒在觀察視場中各占的面積百分比；如果在視場中，占有優(yōu)勢的晶粒度所占面積百分比為90%及以上時，則只需統(tǒng)計一種晶粒的級別號，否則，需要同時統(tǒng)計兩種晶粒級別及它們各占的百分比。

圖1(d)是在不同的淬火溫度下材料晶粒尺寸的測量結(jié)果。經(jīng)測量可知，經(jīng)910℃、930℃和950℃淬火后，材料的顯微組織中均出現(xiàn)晶粒度級別為7級的晶粒，但其所占的面積百分比均未超過10%，因此只需記錄晶粒度級別為8級的晶粒尺寸，并且7級晶粒所占面積百分比隨著淬火溫度的不斷提升而逐漸減小。由圖1可知，隨著淬火溫度的提升，材料的晶粒平均尺寸逐漸增大，尺寸大小從20.897μm增加至21.658μm。

表1 34CrMo4材料化學(xué)成分

(質(zhì)量分數(shù)/%)

Tab.1Chemicalcompositionof34CrMo4

(wt/%)

2.2 淬火溫度對材料的組織及性能的影響

分別對材料進行910℃、920℃、930℃、940℃、950℃淬火，保溫時間60min，在水中進行冷卻，再對材料采用560℃回火，保溫120min，隨后空冷，其顯微組織如圖2所示。材料經(jīng)過完全淬火后，34CrMo4合金鋼中的鐵素體完全溶于奧氏體中，成為細晶粒奧氏體。經(jīng)過相同的回火溫度處理后得到的顯微組織均是回火索氏體，是由鐵素體基體和彌散分布于其上的細粒狀滲碳體而組成，且組織都比較均勻。

34CrMo4材料在不同溫度下淬火，并在相同的溫度下回火熱處理后的各項力學(xué)性能如圖3。隨著淬火溫度的不斷升高，34CrMo4材料的延伸率逐漸減小，-50℃沖擊功、抗拉強度、屈服強度的總體變化趨勢均為先增大后減小，硬度先減小后增大。當采用不同的淬火溫度時，材料的晶粒大小以及合金元素的溶解與分布情況將發(fā)生一定的改變，從而使鋼的淬透性發(fā)生變化，并且改變了相變后的馬氏體板條尺寸的大小[4]。一方面，材料的晶粒尺寸隨著淬火溫度的提高而逐漸變大，并且馬氏體板條尺寸也隨之逐漸增大；另一方面，提高淬火溫度可以使Cr、Mo的碳化物逐漸溶解，并且提高了鉻、鉬元素在奧氏體中的均勻程度，從而使馬氏體中的碳與鉻、鉬等元素的過飽和度隨之增大。兩方面的綜合作用使材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，從而造成材料的硬度先減小后增大，強度和沖擊韌性的變化趨勢為先增大后減小。

淬火溫度在910℃～950℃范圍內(nèi)，34CrMo4材料的延伸率變化趨勢較平穩(wěn)。當淬火溫度為910℃～920℃時，材料的硬度較高，但屈服強度、抗拉強度以及-50℃沖擊韌性均較低；淬火溫度為940℃～950℃時，材料的抗拉強度、屈服強度較高，但-50℃沖擊韌性較差，且940℃淬火時，材料的硬度最低。淬火溫度為930℃時，34CrMo4的屈服強度、抗拉強度以及沖擊韌性均相對較高，且沖擊韌性最大，材料的力學(xué)性能配合最佳，因此最佳淬火溫度為930℃。

2.3 不同回火溫度對34CrMo4組織與性能的影響

對材料進行930℃，保溫60min后，進行水冷淬火，然后分別進行540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃回火，保溫120min，隨后進行空冷。材料的顯微組織如圖4所示。由圖4可知，材料的組織是均勻的回火索氏體，其特點是在鐵素體基體上均勻地分布著粒狀碳化物。當回火溫度為540℃時，組織中的白色塊狀鐵素體較多，隨著回火溫度的升高，材料的組織較均勻，無明顯白色塊狀鐵素體。分析其原因是馬氏體組織隨著回火溫度的逐漸升高而分解更加完全，從而得到的鐵素體和滲碳體顆粒分布越均勻[5]。

圖5是在不同的溫度下回火，34CrMo4材料力學(xué)性能的變化情況。淬火溫度不變的情況下，隨著回火溫度的提升，硬度的變化趨勢為逐漸下降。而當回火溫度是560℃時，材料的硬度突然上升，這是由于材料中的Cr、Mo元素可以降低碳原子的擴散能力，增加鋼的耐回火性，從而導(dǎo)致了二次硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

由圖5可知，升高回火溫度使34CrMo4材料的屈服強度和抗拉強度逐漸降低，延伸率逐漸升高，其原因是34CrMo4鋼中的馬氏體結(jié)構(gòu)隨著回火溫度的升高而逐漸分解，并且伴有大量彌散粒子析出。另外，含有Cr等元素可以使34CrMo4材料組織中的作為強硬相的馬氏體含量占絕對優(yōu)勢，而經(jīng)過回火處理后，馬氏體得到大量分解，從而減小了材料的抗拉強度和屈服強度。

隨著回火溫度的不斷提高，材料的-50℃沖擊韌性逐漸增大。經(jīng)過高溫回火處理后，34CrMo4材料組織中的碳化物形貌由片狀轉(zhuǎn)變成細小顆粒狀，且分布由不均勻變化為彌散分布，從而使34CrMo4材料的-50℃沖擊韌性得以改善。而當回火溫度是550℃和590℃時，材料的沖擊韌性變化曲線出現(xiàn)馬鞍形變化，說明材料出現(xiàn)了第二類回火脆性。

當回火溫度在540℃～590℃范圍內(nèi)時，34CrMo4材料的硬度以及延伸率變化趨勢較平穩(wěn)。在540℃～550℃范圍內(nèi)回火時，材料的抗拉強度、屈服強度較高，但沖擊韌性較低；回火溫度為570℃～590℃時，材料的沖擊值較高，但抗拉強度和屈服強度較差。回火溫度為560℃時，34CrMo4鋼的沖擊韌性、抗拉強度、屈服強度均相對較高，且硬度值最大，此時材料的力學(xué)性能配合最佳。

圖6是回火溫度分別為540℃、560℃、580℃下材料的沖擊斷口顯微形貌。通過電鏡掃描和能譜儀分析可知，材料的斷口形貌都呈典型的韌性斷裂，斷口中有大小不同的等軸狀的韌窩和少量的撕裂紋，韌窩的中心存在著第二相粒子，并且含有夾雜物S和Mn等元素。隨著回火溫度的升高，材料韌窩的面積逐漸地增大，因此34CrMo4材料的-50℃低溫韌性逐漸增加[6]。

3 結(jié)論

綜合分析可知，當淬火溫度930℃，保溫時間60min，冷卻方式選擇水冷，回火溫度560℃，保溫時間120min，冷卻方式選擇空冷時，34CrMo4低合金鋼的組織和綜合力學(xué)性能達到最佳。采用本熱處理工藝，有利于34CrMo4大直徑無縫鋼質(zhì)氣瓶的應(yīng)用和安全性的提高。

[1]鄭津洋，李靜媛，黃強華，等.車用高壓燃料氣瓶技術(shù)發(fā)展趨勢和我國面臨的挑戰(zhàn)[J].壓力容器，2014,31(2)：43-51.

[2]張宇斌，張志波.壓縮天然氣用34CrMo4高壓氣瓶開裂分析[J].壓力容器，2014，31(8)：59-62.

[3]翟春海.34CrMo4鋼沖壓氣瓶的成形工藝優(yōu)化[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[4]惠衛(wèi)軍，董 瀚，王毛球，等.淬火溫度對Cr-Mo-V系低合金高強度鋼力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理，2002，27(3)：14-16.

[5]安治學(xué)，李 勇，張銀鳳，等.35CrMoA車軸鋼回火工藝研究[J].機車車輛工藝，2014，4(2)：23-24.

[6]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

(責(zé)任編輯 王利君)

Research on heat treatment process of 34CrMo4 large diameter seamless gas cylinders

ZHANGRongxiao1,ZHENGLiyun1,CHENGKai1,ZHANGYongqiang2,ZHAOShuguo3,WUChangsheng4,LIFangwei4,CHENJie4

( 1.CollegeofMechanicalandEquipmentEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan056038,China；2.SteelRollingShop,ContinuousCastingandRollingMillofHandanIronandSteelGroup,HebeiHandan056015,China；3.HandanPolytechnicColledge,HebeiHandan056001,China; 4.XinxingEnergyEquipmentCO.LTD,HebeiHandan056107,China)

Theheattreatmentprocessof34CrMo4largediameterseamlesssteelgascylinderswasstudied.Itisanimportantmanufacturingprocesstoensurethemechanicalpropertiesoftheseamlesscylindertomeetthestandardrequirements.Theinfluenceofquenchingandtemperingtemperatureonthemicrostructureandpropertiesof34CrMo4aftercompletequenchingandhightemperaturetemperingwasinvestigatedbyusingmetallographicobservation,scanningelectronmicroscopy(SEM)andenergydispersivespectrum(EDS).Theresultsshowthatthesampleheattreatedatanoptimumprocessquenchingat930℃,for60min,temperingat560℃for120mincanobtainthebestcomprehensiveproperties.It’sbeneficialtotheapplicationandsafetyof34CrMo4largediameterseamlesssteelgascylinders.

34CrMo4;seamlessgascylinder;heattreatment;property

1673-9469(2016)04-0103-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.022

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51271060)；河北省杰出青年基金資助項目(E2013402051) 特約專稿

張榮曉(1992-)，女，河北邢臺人，碩士，主要研究方向是金屬材料熱處理。

TQ

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